井下碎軟煤層雙管雙動(dòng)空氣定向鉆進(jìn)工藝研究

王 力

(1.煤炭科學(xué)研究總院 北京 100013；2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

我國(guó)含碎軟煤層賦存層位多、分布廣，這類煤層透氣性差、瓦斯含量高、煤體力學(xué)強(qiáng)度低[1]。煤礦井下碎軟煤層鉆進(jìn)是開式循環(huán)、欠平衡鉆進(jìn)，沒有靜液柱壓力平衡地層壓力來(lái)維持孔壁的穩(wěn)定性，孔壁易失穩(wěn)，鉆進(jìn)時(shí)更易發(fā)生噴孔、塌孔，導(dǎo)致鉆進(jìn)困難、成孔深度淺、孔內(nèi)事故頻發(fā)、鉆孔堵塞等問題[2]，嚴(yán)重影響瓦斯治理。采用中風(fēng)壓空氣鉆進(jìn)、高轉(zhuǎn)速螺旋鉆進(jìn)等技術(shù)有效提高了碎軟煤層的鉆孔深度[3-6]，上述研究主要是通過(guò)提高排渣效率、減少?zèng)_刷和軟化孔壁等措施來(lái)提高成孔深度和成孔率的鉆進(jìn)方法，鉆孔深度、成孔率等仍然受噴孔、塌孔的影響[7-8]。

借鑒石油鉆井領(lǐng)域的套管鉆進(jìn)方法，集成中風(fēng)壓空氣鉆進(jìn)的和套管鉆進(jìn)護(hù)孔的優(yōu)勢(shì)，“十二五”期間，中煤科工集團(tuán)西安研究院提出了碎軟煤層空氣套管鉆進(jìn)技術(shù)，對(duì)套管鉆進(jìn)孔底組合鉆具、鉆進(jìn)供風(fēng)參數(shù)以及鉆進(jìn)施工流程進(jìn)行了深入研究，把碎軟煤層孔深提高到250 m、成孔率80%以上，取得了良好的應(yīng)用效果[9]，但該技術(shù)采用雙管單動(dòng)方法，內(nèi)管為回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)鉆具，無(wú)法實(shí)現(xiàn)定向鉆進(jìn)，且內(nèi)管鉆進(jìn)時(shí)無(wú)法活動(dòng)外管鉆具，會(huì)造成沉渣卡鉆。隨著煤礦碎軟煤層“以孔代巷”、遞進(jìn)式抽采等區(qū)域瓦斯治理需求的提出，對(duì)鉆孔深度和精度有了更高的要求，在空氣套管鉆進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，“十三五”期間中煤科工集團(tuán)西安研究院開展了集隨鉆護(hù)孔、空氣螺桿精確定向、篩管完孔等功能于一體的雙管雙動(dòng)空氣定向鉆進(jìn)技術(shù)研究[10-12]，提高了碎軟煤層鉆孔深度，并且實(shí)現(xiàn)了鉆孔軌跡精確控制。

筆者從雙管雙動(dòng)空氣定向鉆進(jìn)工藝方法出發(fā)，研究雙管鉆具級(jí)配與結(jié)構(gòu)、供風(fēng)參數(shù)、空氣鉆進(jìn)排粉規(guī)律等關(guān)鍵工藝，以期為碎軟煤層隨鉆護(hù)孔精確鉆進(jìn)提供新工藝方法，為雙管雙動(dòng)定向鉆進(jìn)技術(shù)的開發(fā)提供理論基礎(chǔ)。

1 雙管雙動(dòng)空氣定向鉆進(jìn)工藝方法

雙管雙動(dòng)空氣定向鉆進(jìn)鉆具組合包括套管、套管鉆頭、空氣螺桿鉆具、擴(kuò)眼器和領(lǐng)眼鉆頭等，鉆具組合如圖1 所示。

圖1 雙管雙動(dòng)定向鉆進(jìn)工藝方法Fig.1 Schematic diagram of techniques of double-pipe and double-acting directional drilling

以隨鉆護(hù)孔套管鉆具和以空氣螺桿鉆具(彎角β=1.25°)為核心的定向鉆具，由鉆機(jī)雙動(dòng)力頭分別驅(qū)動(dòng)(雙管雙動(dòng)力頭定向鉆機(jī)如圖2 所示)，實(shí)現(xiàn)雙管雙動(dòng)鉆進(jìn)，還可以根據(jù)排渣、定向效果等情況，實(shí)現(xiàn)內(nèi)管定向鉆具和外管套管鉆具在一定超前距 ΔL范圍內(nèi)差動(dòng)。該方法的優(yōu)勢(shì)在于內(nèi)管為空氣螺桿鉆具，可以進(jìn)行碎軟煤層隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)；外管為螺旋套管鉆具，可以隨定向鉆進(jìn)軌跡跟進(jìn)隨鉆護(hù)孔，雙管在各自動(dòng)力頭驅(qū)動(dòng)下可以相互獨(dú)立地進(jìn)行旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)護(hù)孔、定向鉆進(jìn)。

圖2 雙管雙動(dòng)力頭空氣定向鉆機(jī)Fig.2 Schematic diagram of the double-pipe and double drill head air directional drilling rig

雙管雙動(dòng)空氣定向鉆進(jìn)分為定向鉆進(jìn)和復(fù)合鉆進(jìn)兩個(gè)工藝過(guò)程。定向鉆進(jìn)時(shí)，鉆桿動(dòng)力頭帶動(dòng)螺桿鉆具滑動(dòng)定向鉆進(jìn)，同時(shí)套管動(dòng)力頭帶動(dòng)套管以較低轉(zhuǎn)速回轉(zhuǎn)跟管鉆進(jìn)，實(shí)現(xiàn)套管隨鉆護(hù)孔，鉆屑從內(nèi)外環(huán)空排出孔外，實(shí)現(xiàn)連續(xù)鉆進(jìn)。復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)，鉆桿動(dòng)力頭帶動(dòng)螺桿鉆具復(fù)合鉆進(jìn)，同時(shí)套管動(dòng)力頭帶動(dòng)套管以較低轉(zhuǎn)速回轉(zhuǎn)跟管鉆進(jìn)，并隨鉆護(hù)孔，鉆屑主要從內(nèi)環(huán)空排出孔外，實(shí)現(xiàn)連續(xù)鉆進(jìn)，這兩個(gè)鉆進(jìn)過(guò)程中套管是反絲連接、反向旋轉(zhuǎn)的，防止雙管旋向一致導(dǎo)致套管松扣。鉆進(jìn)結(jié)束后，先將內(nèi)管定向鉆具從套管內(nèi)提出，套管暫時(shí)留在孔內(nèi)，然后從套管內(nèi)通孔下入大直徑篩管，完成后將套管提出，把篩管留在孔內(nèi)終孔，鉆進(jìn)過(guò)程示意如圖3 所示。

圖3 雙管雙動(dòng)鉆進(jìn)過(guò)程Fig.3 Schematic diagram of double-pipe and double-acting directional drilling process

2 關(guān)鍵鉆具及鉆進(jìn)工藝參數(shù)研究

2.1 鉆具級(jí)配及結(jié)構(gòu)

雙管鉆具級(jí)配和結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)雙管雙動(dòng)定向鉆進(jìn)工藝方法的核心，關(guān)系到鉆進(jìn)工藝參數(shù)的選擇，根據(jù)排粉環(huán)空最大、供風(fēng)損失以及鉆孔孔徑最小原則，確定了鉆具結(jié)構(gòu)和級(jí)配。

1)鉆具級(jí)配

雙管鉆具既要考慮套管與套管鉆頭的級(jí)配、還要考慮帶彎角的氣動(dòng)螺桿鉆具在套管內(nèi)的通過(guò)性，鉆具通過(guò)性試驗(yàn)如圖4 所示。以?73 mm、彎角1.25°空氣螺桿鉆具為基準(zhǔn)，結(jié)合現(xiàn)有鉆探管材標(biāo)準(zhǔn)，確定領(lǐng)眼鉆頭直徑為90 mm，底擴(kuò)式擴(kuò)眼器直徑120 mm，套管心桿采用?114 mm 標(biāo)準(zhǔn)管材，公接頭處最小內(nèi)通孔直徑96 mm、焊接螺旋葉片后外徑 120 mm，套管鉆頭直徑140 mm。

圖4 空氣螺桿螺桿鉆具通過(guò)性試驗(yàn)Fig.4 Test of air motor running though the casing

2)螺旋套管結(jié)構(gòu)

鉆進(jìn)時(shí)，套管鉆頭切削的部分煤粉需要從外環(huán)空排出孔外，因此將套管設(shè)計(jì)為寬葉片螺旋套管，螺旋葉片可以輸送和攪動(dòng)煤粉，輔助空氣進(jìn)行雙動(dòng)力復(fù)合排粉，提高排粉效率，螺旋葉片的頭數(shù)、升角、螺距等都會(huì)影響鉆進(jìn)排粉效率，螺旋葉片作用下煤粉運(yùn)動(dòng)分析如圖5 所示。

圖5 螺旋鉆進(jìn)煤粉顆粒運(yùn)動(dòng)分析Fig.5 Motion analysis diagram of coal particles in auger drilling

以螺旋葉片上O點(diǎn)的煤粉顆粒M 作為研究對(duì)象，vR是沿O點(diǎn)法線方向煤粉顆粒的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，由于煤粉與螺旋葉片存在摩擦，vN是煤粉顆粒與法線偏轉(zhuǎn)一定摩擦角β方向的實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度。對(duì)vN進(jìn)行分解，可得到煤顆粒的軸向速度vA和圓周速度vC。vA即是煤粉軸向輸出速度，而vC沿螺旋鉆桿徑向使煤粉產(chǎn)生上下翻滾，起到了攪動(dòng)煤粉的作用[13-14]，有利于空氣攜帶排粉，這正是采用寬葉片螺旋鉆桿空氣鉆進(jìn)提高排粉效率的工藝原理。

由圖5 分析可得到如下公式：

根據(jù)螺旋鉆桿結(jié)構(gòu)理論可知：

式中：L為螺旋葉片螺距，m；n為套管或鉆桿轉(zhuǎn)速，r/min；P為螺旋葉片導(dǎo)程，m；D1為套管直徑，mm；s為螺旋葉片頭數(shù)，可取1、2、3；α為螺旋升角，(°)；β為煤與螺旋葉片摩擦角，(°)；μ為煤與螺旋葉片摩擦因數(shù)，常取0.46。

由式(1)可知，煤粉軸向運(yùn)動(dòng)速度與螺距、鉆具轉(zhuǎn)速成正比。由于套管的主要作用是護(hù)孔，套管鉆頭的切削量較小，且大部分煤粉從內(nèi)環(huán)空排出孔外，套管轉(zhuǎn)速最高70 r/min，葉片主要起攪動(dòng)、研磨煤粉的作用。因此，煤粉軸向運(yùn)動(dòng)速度可以近似看做與螺旋葉片螺距成正比。當(dāng)螺距較大時(shí)，煤粉軸向輸送速度vA增大，但會(huì)出現(xiàn)煤粉圓周速度vC過(guò)小，攪動(dòng)煤粉作用減弱；當(dāng)螺距較小時(shí)，圓周速度分量增大，攪動(dòng)煤粉作用增強(qiáng)。在確定最優(yōu)螺距時(shí)，套管在較低轉(zhuǎn)速的情況下，螺旋設(shè)計(jì)盡量使煤粉顆粒輸送速度vC≥vA，這樣才能滿足攪動(dòng)煤粉、輔助排粉的要求。多頭螺旋相當(dāng)于有多條螺旋線在輸送和攪動(dòng)煤粉，相同條件下的排粉效果要優(yōu)于單頭螺旋，但此時(shí)每個(gè)螺旋葉片都會(huì)參與攪動(dòng)、研磨鉆屑，就會(huì)增大排粉阻力，反而不利于排粉。一般螺旋葉片設(shè)計(jì)為1～3 頭，孔徑較大、煤層較硬時(shí)選擇3 頭，綜合碎軟煤層性質(zhì)、增大導(dǎo)程等因素，確定套管螺旋葉片為2 頭設(shè)計(jì)。

將式(2)、式(4)代入式(1)可得式(5)：

因此，式(5)中煤粉軸向運(yùn)動(dòng)速率vA是一個(gè)關(guān)于螺距的函數(shù)，在不同轉(zhuǎn)速下，煤粉軸向運(yùn)動(dòng)速度vA隨螺距的增大出現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，在螺旋葉片合理參數(shù)取值范圍內(nèi)存在最佳螺距，如圖6 所示。復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)盡量在鉆機(jī)的能力范圍內(nèi)提高轉(zhuǎn)速，以提高攪動(dòng)煤粉效果。

圖6 不同轉(zhuǎn)速下vA 與螺距關(guān)系Fig.6 The relationship of vA and pitch under different rotation rate

根據(jù)鉆探工藝要求，由式(3)得到的周向攪動(dòng)煤粉速度也較大以及加工方便等因素，螺距為100 mm，則導(dǎo)程為200 mm，葉片高度為3 mm，寬度20 mm，反螺旋套管如圖7 所示。

圖7 ?120/96 mm 反螺旋套管Fig.7 ?120/96 mm reverse spiral casing

2.2 供風(fēng)參數(shù)

1)供風(fēng)量

雙管雙動(dòng)定向鉆進(jìn)工藝的供風(fēng)量要滿足?140 mm鉆孔排粉、空氣螺桿正常運(yùn)行時(shí)耗氣量。根據(jù)空氣鉆進(jìn)理論與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。要獲得較高鉆進(jìn)排粉效率，必須保證鉆桿與孔壁之間環(huán)狀間隙的返風(fēng)速度。實(shí)踐表明，返風(fēng)速度最小應(yīng)達(dá)到15.2 m/s，最佳風(fēng)速23 m/s 左右[15]。排粉所需風(fēng)量按下列經(jīng)驗(yàn)公式估算。

式中：Q為供風(fēng)量，m3/min；D2和d分別為鉆孔、鉆具直徑，mm；v為返風(fēng)速度，一般取v≥15 m/s；K為系數(shù)，一般取1.3 左右；λ為擴(kuò)孔系數(shù)(實(shí)鉆孔徑與理論孔徑的比值)取1.0～1.1；當(dāng)0.2≤f＜0.5 時(shí)，取1.05～1.10；當(dāng)0.5≤f＜0.9 時(shí)，取1.00～1.05。

另外，供風(fēng)量直接關(guān)系到空氣螺桿鉆具轉(zhuǎn)速，供風(fēng)達(dá)到螺桿設(shè)計(jì)排量時(shí)可有效發(fā)揮螺桿鉆具的性能，供風(fēng)量5～8 m3/min 時(shí)[15]，螺桿鉆具轉(zhuǎn)速可達(dá)到165 r/min，按照雙管雙動(dòng)定向鉆進(jìn)鉆具級(jí)配、典型碎軟煤層擴(kuò)孔參數(shù)代入式(6)計(jì)算，供風(fēng)量大于10 m3/min 即可滿足鉆進(jìn)排粉、空氣螺桿鉆進(jìn)的用風(fēng)需要。

2)供風(fēng)壓力

為達(dá)到上述排粉風(fēng)速，就要克服風(fēng)流的各種阻力。供風(fēng)壓力損失主要包括管道壓損、螺桿鉆具壓降、加速壓損、摩擦壓損等，供風(fēng)壓力大于上述各壓力損失之和即可滿足鉆進(jìn)壓力需求。

式中：p為供風(fēng)壓力，Pa；Δp為總壓力損失，Pa；Δppd為管路、鉆桿壓力損失，Pa；Δpam為螺桿鉆具壓降，Pa；Δpma為空氣與鉆屑加速壓損，Pa；Δpmf為空氣與鉆屑摩擦壓損，Pa。

供風(fēng)管路長(zhǎng)度取決于空壓機(jī)安裝位置，對(duì)于目前井下常用的17 m3/min，風(fēng)壓1.25 MPa 空壓機(jī)來(lái)說(shuō)，供風(fēng)管路到鉆場(chǎng)的長(zhǎng)度應(yīng)小于1 000 m，管路內(nèi)通孔直徑80 mm 以上，鉆桿通孔孔徑35 mm 以上，此時(shí)，在整個(gè)管路上壓損0.3 MPa 左右，空氣螺桿鉆具壓降0.5 MPa[16]，此時(shí)可滿足鉆進(jìn)需要，隨著煤礦井下空壓機(jī)的發(fā)展，可選擇排氣量20 m3/min、排氣壓力1.6 MPa以上空壓機(jī)或制氮機(jī)作為供風(fēng)風(fēng)源，供風(fēng)能力富余量更大，孔內(nèi)復(fù)雜情況處理能力大，鉆進(jìn)效果更佳。

2.3 排粉規(guī)律

通過(guò)螺旋套管、螺旋鉆桿空氣鉆進(jìn)仿真分析，研究不同鉆進(jìn)工藝參數(shù)下煤粉運(yùn)移量、分布狀態(tài)規(guī)律，為鉆進(jìn)試驗(yàn)參數(shù)調(diào)整和優(yōu)化提供理論依據(jù)。收集典型碎軟煤層礦區(qū)空氣鉆進(jìn)煤粉，通過(guò)篩分進(jìn)行粒徑分析，煤樣粒徑分布和數(shù)值模擬加權(quán)粒徑分布見表1。

表1 煤粉樣品粒徑分布和加權(quán)粒徑分布Table 1 Particle size distribution of coal sample and weighted particle size distribution

對(duì)于小顆粒煤粉(0.1 mm)，在風(fēng)量400 m3/h、轉(zhuǎn)速80 r/min 時(shí)，煤粉在鉆孔左右兩側(cè)沉積較多，其沉積程度主要受風(fēng)量影響(圖8)。當(dāng)轉(zhuǎn)速大于40 r/min 時(shí)，通過(guò)提高轉(zhuǎn)速的方法改善其沉積程度效果不明顯。對(duì)于大顆粒煤粉(0.3 mm 以上)，其沉積程度受風(fēng)量和轉(zhuǎn)速雙重影響，風(fēng)量較低時(shí)，通過(guò)提高鉆桿轉(zhuǎn)速改善其沉積程度效果明顯；煤粉沉積規(guī)律如圖8b 所示。當(dāng)煤粉顆粒離開孔底后，大致隨著葉片的螺旋軌跡向孔外運(yùn)移，離鉆桿體越遠(yuǎn)，煤粉運(yùn)移速度越高。

圖8 煤粉顆粒運(yùn)移規(guī)律模擬Fig.8 Migration law of coal particles

風(fēng)量300～400 m3/h、轉(zhuǎn)速80 r/min 時(shí)有較多煤粉沉積；風(fēng)量400 m3/h 時(shí)，轉(zhuǎn)速達(dá)到120 r/min 以上，才沒有煤粉沉積；風(fēng)量為300 m3/h 時(shí)，轉(zhuǎn)速達(dá)到200 r/min時(shí)，才沒有煤粉沉積；當(dāng)風(fēng)量增加到500 m3/h，轉(zhuǎn)速40 r/min 時(shí)即沒有煤粉沉積，說(shuō)明增加風(fēng)量比增加轉(zhuǎn)速的提高排粉效果更明顯。

根據(jù)仿真分析結(jié)果，結(jié)合中風(fēng)壓鉆進(jìn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)轉(zhuǎn)速控制在80 r/min 左右，風(fēng)量最好達(dá)到500 m3/h；采用滑動(dòng)定向鉆進(jìn)方式時(shí)，由于轉(zhuǎn)速為0，要求保證更大風(fēng)量減少沉積，風(fēng)量應(yīng)達(dá)到500 m3/h 以上；鉆進(jìn)過(guò)程中，當(dāng)風(fēng)量低于400 m3/h 時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分回轉(zhuǎn)掃孔排渣，確?？變?nèi)順暢和施工安全。

3 鉆進(jìn)工藝試驗(yàn)

采用上述優(yōu)化鉆具和推薦工藝參數(shù)，在淮北某礦1076 回風(fēng)巷10 煤進(jìn)行了鉆進(jìn)試驗(yàn)。試驗(yàn)煤層厚度1.5～4.2 m，平均厚度2.85 m，煤層結(jié)構(gòu)單一，傾角變化范圍2°～17°，平均9.5°，煤層堅(jiān)固性系數(shù)f=0.54。

1)試驗(yàn)配套設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備主要參數(shù)見表2。

表2 試驗(yàn)設(shè)備主要性能參數(shù)Table 2 Main performance of test equipments

2)試驗(yàn)效果

累計(jì)施工4 個(gè)試驗(yàn)鉆孔，總進(jìn)尺1 170 m，最大孔深354 m(右2 號(hào)孔)。其中，0 號(hào)孔為地層探查孔，單管定向鉆進(jìn)，孔深162 m；右1 號(hào)、右2 號(hào)、右3 號(hào)孔為雙管定向鉆進(jìn)，其中兩個(gè)孔孔深達(dá)350 m 以上，套管隨鉆護(hù)孔深度170 m 以上，有效保護(hù)了前段鉆孔，并實(shí)現(xiàn)了套管隨定向鉆進(jìn)護(hù)孔，試驗(yàn)鉆孔施工情況見表3，鉆孔軌跡如圖9 所示，其中右2 號(hào)鉆孔軌跡剖面如圖10 所示。

圖9 試驗(yàn)鉆孔軌跡平面圖Fig.9 Plan of test borehole trajectory

圖10 右2 號(hào)試驗(yàn)鉆孔軌跡剖面Fig.10 No.2 test borehole profile

表3 試驗(yàn)鉆孔施工情況Table 3 Construction of test boreholes

滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)，風(fēng)量500 m3/h 時(shí)，仍有大顆粒煤粉沉積，定向造斜完成后，應(yīng)立即進(jìn)行穩(wěn)斜復(fù)合鉆進(jìn)，旋轉(zhuǎn)內(nèi)管鉆具以盡快清除孔內(nèi)沉積煤粉，實(shí)鉆試驗(yàn)表明，孔深400 m、孔徑140 mm 時(shí)，推薦鉆進(jìn)工藝參數(shù)為：轉(zhuǎn)速40、60、80、120 r/min 時(shí)，對(duì)應(yīng)風(fēng)量應(yīng)最小達(dá)到500、400、400、300 m3/h。

4 結(jié) 論

a.雙管雙動(dòng)空氣定向鉆進(jìn)綜合了隨鉆套管護(hù)孔和空氣定向鉆進(jìn)的優(yōu)勢(shì)，有效解決了碎軟煤層鉆進(jìn)的痛點(diǎn)，是碎軟煤層瓦斯遞進(jìn)式區(qū)域治理的新技術(shù)。

b.?90 mm 領(lǐng)眼鉆頭+?120 mm 擴(kuò)眼器+?73 mm空氣螺桿鉆具+?73/35 mm 寬葉片螺旋鉆桿的內(nèi)管鉆具+?140 mm 套管鉆頭+?120/96 mm 反螺旋套管的外管鉆具組合，級(jí)配和結(jié)構(gòu)滿足雙管雙動(dòng)空氣定向鉆進(jìn)工藝要求。

c.鉆進(jìn)轉(zhuǎn)速40、60、80、120 r/min 時(shí)，對(duì)應(yīng)風(fēng)量應(yīng)最小分別達(dá)到500、400、400、300 m3/h，增加風(fēng)量比增加轉(zhuǎn)速的提高排粉效果更明顯，滑動(dòng)定向造斜完成后，應(yīng)盡快復(fù)合鉆進(jìn)，清除沉積煤粉。

d.雙管雙動(dòng)鉆進(jìn)鉆具采用中間加卸雙管，操作復(fù)雜，應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行雙管鉆具加卸自動(dòng)化研究，提高施工效率和便利性。